ES2262781T3 - Procedimiento para extraer agua del aire y dispositivo para la realizacion del procedimiento. - Google Patents
Procedimiento para extraer agua del aire y dispositivo para la realizacion del procedimiento.Info
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Abstract
Procedimiento para la extracción de agua del aire, en el que una corriente de aire (1) recorre con movimiento forzado un canal (5) en segmentos consecutivos, - comenzando con segmentos ((31-3n) para el preenfriamiento del aire hasta como máximo la temperatura del punto de rocío (Tdp1) por medio de intercambiadores de calor (91-9n), - segmentos siguientes (2) para el enfriamiento escalonado del aire en rangos <= punto de rocío para la condensación de los vapores del agua por evacuación de calor por medio de elementos de evacuación de calor (7) hacia fuera del canal (5), y - tramos subsiguientes ((3n+1-32n) con calentamiento del aire por medio de intercambiadores de calor (9n+192n), estando organizado entre los intercambiadores de calor del sistema de preenfriamiento y los intercambiadores de calor del sistema de calentamiento del aire, cada vez por parejas y comenzando desde fuera, un respectivo circuito de transporte de calor (91-92n, 92-92n-1, etc. hasta 9n-9n+1) mediante el empleo de unmedio de transporte de calor y generándose el movimiento forzado de la corriente de aire (1) por medio de al menos una diferencia de presión producida inmediatamente detrás de los segmentos (2).
Description
Procedimiento para extraer agua del aire y
dispositivo para la realización del procedimiento.
Esta invención se refiere al campo de la
termodinámica de los gases y, más precisamente, a la obtención de
agua del aire exterior, concretamente al procedimiento para la
extracción de agua del aire y al dispositivo para su
ejecu-
ción.
ción.
Se conoce un procedimiento para la extracción de
agua del aire (RU, A, 2081256) que consiste en que se genera una
corriente de aire y se realiza en un segmento de esta corriente un
enfriamiento artificial de la misma, antes y después se realiza la
transmisión de calor entre los n escalones de la corriente, de modo
que se efectúe la transmisión de calor del primer escalón al
enésimo escalón, del segundo escalón al (n-1)-ésimo
escalón y sucesivamente, por su turno, del escalón n/2 al escalón
n/2+1. Al alcanzarse la temperatura del punto de rocío en los
escalones se efectúa la condensación del vapor de agua.
Durante la condensación del vapor de agua se
reduce la cantidad de éste en la corriente de aire dentro del
segmento para su enfriamiento artificial, lo que, por un lado,
conduce a una disminución continua de la temperatura del punto de
rocío dentro de este segmento y decelera el proceso de
condensación.
Se conoce una instalación para la extracción de
agua del aire (véase el documento citado) que contiene un canal
para el transporte de la corriente de aire, en el cual están
instalados un elemento de refrigeración de la instalación
frigorífica, un intercambiador de calor y un ventilador. El
intercambiador de calor está construido como un intercambiador de
calor de múltiples secciones, en cada sección del cual están
dispuestos los elementos de intercambio de calor en los diferentes
lados del elemento de refrigeración. Según la corriente de calor,
el primer elemento de intercambio de calor está unido con el enésimo
elemento, el segundo elemento de intercambio de calor con el
(n-1)-ésimo elemento y luego el elemento n/2 con el
elemento (n/2+1).
La sensible disminución de la humedad absoluta
del aire durante su circulación por el elemento de refrigeración y
la correspondiente reducción de la temperatura del punto de rocío
conducen a un fuerte enfriamiento de la corriente de aire dentro de
este elemento, en el que se reduce su interacción térmica con el
elemento de enfriamiento y se decelera sensiblemente el proceso de
condensación del vapor de agua.
En el documento FR 2 672 970 A1 se describe una
instalación de deshumectación en la que la corriente de aire es
enfriada en un canal por evaporadores estáticos y durante este
enfriamiento tiene lugar una primera condensación del agua
contenida en el aire.
El aire llega después a un evaporador que es
parte integrante de una bomba de calor. En este intercambiador se
enfría nuevamente y de forma más intensa el aire húmedo, con lo que
se condensa la mayor parte del agua contenida en el aire.
Los condensados son acumulados en un recipiente
y evacuados a través de un sistema de tuberías.
El aire frío llega después de la deshumectación
a la parte superior del aparato, en donde recibe, en condensadores
estáticos, calor que fue substraído por los evaporadores
estáticos.
El ventilador que produce la corriente de aire
está dispuesto al final de esta instalación. Por tanto, esta
instalación de deshumectación presenta semejanza con la descrita al
principio en relación con el documento RU, A, 2081256. En estas
soluciones se dejan sin tener en cuenta consideraciones referentes
al modo de aumentar el caudal de agua y, por tanto, la cantidad de
agua condensada mediante una disposición ventajosa de los distintos
componen-
tes.
tes.
Esta invención se basa en el problema de
desarrollar un procedimiento para la extracción de agua del aire
que proporcione la seguridad de una condensación eficaz del vapor de
agua en la extensa zona de la corriente de aire, así como crear un
dispositivo para su ejecución, cuya clase de construcción haga
posible la interacción de calor de la corriente de aire con el
sistema de refrigeración de una manera uniforme a lo largo del
movimiento de la corriente de aire, aumentando entonces el factor
de frío total de la instalación frigorífica a utilizar e
incrementando la cantidad de los vapores de agua condensados.
El problema planteado se resuelve por medio de
un procedimiento en el que una corriente de aire recorre
sucesivamente con movimiento forzado un canal dividido en
segmentos,
- -
- comenzado con segmentos (3_{1}-3_{n}) para el preenfriamiento del aire hasta como máximo la temperatura del punto de rocío (T_{dp1}) por medio de intercambiadores de calor,
- -
- segmentos siguientes para el enfriamiento escalonado del aire en rangos \leq punto de rocío para la condensación de los vapores de agua por evacuación de calor por medio de elementos de evacuación de calor hacia fuera del canal y
- -
- segmentos subsiguientes (3_{n+1}-3_{2n}) con calentamiento del aire por medio de intercambiadores de calor,
estando organizado entre los intercambiadores de
calor del sistema de preenfriamiento y los intercambiadores de
calor del sistema de calentamiento del aire, en cada caso por
parejas y comenzando desde fuera, un respectivo circuito de
transporte de calor mediante el empleo de un medio de transporte de
calor y generándose el movimiento forzado de la corriente de aire
por medio de al menos una diferencia de presión producida
inmediatamente detrás de los segmentos. La presencia de dos y más
segmentos para la evacuación de la energía calorífica permite
disminuir la temperatura del punto de rocío en un intervalo de
temperatura más amplio y, como consecuencia, condensar una mayor
cantidad de vapores de agua.
Para aumentar la masa del aire bombeado se
organiza la acción de fuerza sobre el mismo en la parte más fría de
su corriente, en donde es máxima la densidad del aire. A este fin,
se genera la corriente de aire por medio de la diferencia de
presión, la cual es producida inmediatamente detrás de los segmentos
para la evacuación forzosa de la energía calorífica en la dirección
de movimiento de la corriente de aire.
Para obtener un condensado de agua más puro en
la corriente de aire antes del primer segmento de intercambio de
calor se depura el aire para liberarlo de las partículas suspendidas
en él.
Para esterilizar el condensado de agua en la
corriente de aire antes del primer segmento de intercambio de calor
se ozoniza dicho condensado.
Para la depuración compleja del agua condensada
a fin de liberarla de partículas insolubles y microbios patógenos
se realizan al mismo tiempo la ozonización del aire y la depuración
de eliminación de las partículas suspendidas en la corriente de
aire antes del primer segmento de intercambio de calor.
Para la organización del intercambio de calor
entre los segmentos de intercambio de calor de la corriente de aire
se realiza una transmisión de calor en cada par de segmentos de
intercambio de calor empleando variaciones de estado de la materia
de transmisión de calor.
Como otra variante del intercambio de calor
entre los segmentos de intercambio de calor de la corriente de aire
se realiza la transmisión de calor en cada par de segmentos de
intercambio de calor por medio de una materia con alta
conductividad calorífica.
Para simplificar el proceso de intercambio de
calor y para su intensivación se realiza la transmisión de calor en
cada par de segmentos de intercambio de calor por medio de un
portador de calor intermedio líquido, y como tal se emplea agua a
la que pueden añadirse una materia que disminuya la temperatura de
congelación del agua. Como materia reductora de la temperatura de
congelación del agua puede emplearse alcohol o sal común.
El problema planteado se resuelve también por
medio de un dispositivo en el que una corriente de aire circula en
un canal con movimiento forzado - producido por al menos un
ventilador dispuesto en el canal - a lo largo de intercambiadores
de calor y elementos de evacuación de calor dispuestos por
segmentos, de tal manera que en primeros segmentos están dispuestos
intercambiadores de calor para el preenfriamiento del aire hasta
como máximo la temperatura del punto de rocío (T_{dp1}), en
segundos segmentos siguientes se encuentran elementos de evacuación
de calor que reciben un enfriamiento forzado desde fuera del canal y
que enfrían el aire hasta un nivel de temperatura \leq punto de
rocío, acumulándose el agua condensada en una cubeta de acumulación
de condensado y siendo ésta evacuada hacia fuera, y en terceros
segmentos se encuentran de nuevo intercambiadores de calor que
producen un calentamiento del aire, estando unidos los
intercambiadores de calor de los primeros y terceros segmentos unos
con otros por parejas y comenzando desde fuera, por medio de
entubados, para formar sendos circuitos de transporte de calor y
estando dispuesto un ventilador, considerado en la dirección de
flujo, después del último elemento de evacuación de calor de los
segundos segmentos y delante del primer intercambiador de calor de
los terceros segmentos.
Para aumentar la cantidad del aire a transportar
es conveniente instalar el ventilador en el canal entre el último
elemento de intercambio de calor en la dirección de movimiento de la
corriente de aire y el (n+1)-ésimo elemento de intercambio de
calor.
Para depurar la corriente de aire liberándola de
partículas en suspensión, el dispositivo contiene un filtro de aire
que está instalado a la entrada del canal para el transporte del
aire. El filtro de aire indicado puede estar construido como un
racor de aspiración de aire verticalmente montado y que se ensancha
hacia abajo y también como un filtro eléctrico de partículas en
suspensión.
Para la depuración del aire y del vapor de agua
liberándolos de microbios patógenos, el dispositivo contiene un
ozonizador del aire que está instalado a la entrada del canal para
el transporte del aire. Además, se puede adaptar el filtro
eléctrico para la obtención de ozono.
Para la depuración compleja del aire, un filtro
eléctrico, que está adaptado para la obtención de ozono, está
instalado en el dispositivo a la entrada del canal para el
transporte del aire detrás del filtro construido como racor de
aspiración de aire verticalmente montado y que se ensancha hacia
abajo.
En el dispositivo puede instalarse como cada
elemento de intercambio de calor un evaporador de la máquina
frigorífica de compresión o un bloque de puntos de soldadura en frío
de la máquina frigorífica basada en el efecto Peltier. A la salida
del canal para el transporte de aire está instalado entonces un
respectivo licuador de la máquina frigorífica de compresión o un
bloque de puntos de soldadura en caliente de la máquina frigorífica
basada en el efecto Peltier.
Para aumentar adicionalmente la cantidad de aire
a transportar puede instalarse al menos otro ventilador en el canal
para el transporte de aire.
Para aumentar la masa del aire reductor de la
energía calorífica están practicadas unas aberturas de entrada de
aire en las paredes del canal para el transporte del aire detrás del
2n-ésimo elemento de intercambio de calor.
En otra ejecución de la invención se ha previsto
que en el entubado de cada circuito de calor entre el sistema de
preenfriamiento y el sistema de calentamiento de aire esté dispuesta
una bomba para el transporte del medio de transporte de calor
líquido. Las bombas de los circuitos de calor pueden estar
combinadas en un grupo constructivo.
Los elementos de intercambio de calor de los
segmentos 1 y 3 que forman el respectivo circuito de calor pueden
estar unidos alternativamente también uno con otro por medio de
entubados en forma de tubos de calor.
Asimismo, los entubados que forman el circuito
de calor entre los intercambiadores de calor pueden estar
construidos como elementos de conducción de calor metálicos.
Para recoger completamente el agua condensada es
conveniente que la cubeta de recogida de condensado se comunique
con una parte del canal para el transporte del aire que comprenden
los primeros n elementos de intercambio de calor y todos los
elementos de evacuación de calor.
A continuación, se explica la invención
reivindicada con ayuda de ejemplos de realización concretos y los
dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 muestra esquemáticamente el proceso
de extracción de agua del aire, que va acompañado por el diagrama
de la variación de la temperatura del aire en la dirección de
movimiento de la corriente de aire;
La figura 2 explica la dinámica de la variación
de estado del aire al alcanzar éste la temperatura del punto de
rocío, durante la condensación del líquido y durante el
calentamiento adicional;
La figura 3 ilustra la depuración simultánea del
aire liberándolo de partículas suspendidas en él y su
ozonización;
La figura 4 muestra esquemáticamente la variante
del dispositivo para la extracción de agua del aire con la máquina
frigorífica de compresión y empleando el portador de calor líquido
para el intercambio de calor;
La figura 5 muestra esquemáticamente la
construcción de los filtros agrupados en una unidad y del
ozonizador;
La figura 6 muestra esquemáticamente la variante
del dispositivo para la extracción de agua del aire con la máquina
frigorífica basada en el efecto Peltier y utilizando un ventilador
adicional, las aberturas de entrada de aire y los tubos de calor;
y
La figura 7 muestra esquemáticamente la variante
del dispositivo para la extracción de agua del aire, en la que la
transmisión de calor entre los elementos de intercambio de calor se
realiza utilizando elementos de evacuación de calor.
El procedimiento según la invención para la
extracción de agua del aire consiste en que se genera la corriente
de aire 1 (figura 1) en cuyos segmentos 2 se realiza la evacuación
forzada de la energía calorífica de la corriente de aire 1. Al
mismo tiempo, se organiza el intercambio de calor entre 2n segmentos
de intercambio de calor 3_{1}-3_{2n} de la
corriente de aire 1 que están agrupados por parejas de modo que los
segmentos 3_{1} y 3_{n+1} y así sucesivamente en cada par estén
dispuestos en los diferentes lados del grupo de segmentos 2.
Los primeros n segmentos de intercambio de calor
3_{1}-3_{n} están montados sucesivamente en la
dirección de movimiento l de la corriente 1 y dispuestos delante de
los segmentos 2, y los segmentos 3 de n+1_{ }a 2n están
instalados detrás de los segmentos 2 para la evacuación forzada de
la energía calorífica. En cada par de elementos de intercambio de
calor 3_{1}-3_{2n} se realiza la transmisión de
la energía calorífica q_{i} del segmento 3_{i} al segmento
3_{2n+1-i}.
La evacuación forzada de la energía calorífica
de la corriente 1 en los segmentos 2 conduce al enfriamiento del
aire detrás de estos segmentos y al desbordamiento de la energía
calorífica q_{i} de los i-ésimos segmentos de intercambio de
calor 3 a los (2n+1-i)-ésimos segmentos de
intercambio de calor 3. El desbordamiento citado de la energía
calorífica q_{i} produce un preenfriamiento del aire de la
corriente 1 antes de los segmentos 2. Así, se enfría el aire
exterior desde la temperatura inicial T_{at} - para lo cual dicho
aire recorre los primeros n elementos de intercambio de calor
3_{1}-3_{n} - en el primer segmento de
intercambio de calor 3_{1} en la magnitud \DeltaT_{1}, en el
segundo en la magnitud \DeltaT_{2}, en el i-ésimo segmento de
intercambio de calor en la magnitud \DeltaT_{i}, y así
sucesivamente, hasta que la temperatura del aire disminuya
alcanzando la temperatura del punto de rocío T_{dp1}. En la figura
1 la temperatura del aire en la corriente 1 alcanza el valor
T_{dp1} antes del primer segmento 2 para la evacuación forzada de
la energía calorífica.
El enfriamiento adicional del aire en la
corriente 1 conduce al comienzo de la condensación de los vapores
de agua que están contenidos en esta corriente y disminuye entonces
la velocidad de descenso de la temperatura del aire en la corriente
1, puesto que durante la condensación del vapor de agua se cede una
considerable energía calorífica a los segmentos para su
condensación. Las magnitudes
\DeltaT_{j1}-\DeltaT_{j4} ilustran el
carácter de la disminución de la temperatura del aire en la zona de
condensación \Deltal_{c}. La extracción de agua del aire en la
zona de condensación \Deltal_{c} conduce a la reducción continua
de la humedad absoluta de este aire y, como consecuencia, a la
disminución de la temperatura del punto de rocío de T_{dp1} a
T_{dp2}.
Además, aumenta la temperatura del aire en la
corriente 1, después de que esta corriente 1 pasa por el último
segmento 2, a consecuencia del desbordamiento de la energía
calorífica q_{i} en cada elemento de intercambio de calor 3 desde
el (n+1)-ésimo segmento de intercambio de calor hasta el 2n-ésimo
segmento 3. Fuera de la zona de condensación \Deltal_{c} es
\DeltaT_{i} = \DeltaT_{2n+1-i}, puesto que
la energía calorífica q_{i} proveniente del segmento de
intercambio de calor 3_{i} corresponde a la misma cantidad de aire
circulante en el segmento de intercambio de calor
3_{2n+1-i}. Prescindiendo de las pérdidas de calor
para los procesos térmicos no tenidos aquí en cuenta, usuales en
las situaciones reales, la diferencia de temperatura \DeltaT_{f}
entre la temperatura del aire de entrada y la temperatura del aire
de salida es igual a la diferencia de las sumas de temperatura
existentes en los segmentos 2.
En el caso de una intensa extracción de agua, la
diferencia entre el valor inicial y el valor final T_{dp1} y
T_{dp2} de la temperatura del punto de rocío puede ser
considerable. En este caso, la magnitud de la energía calorífica a
derivar de la corriente 1, en la cual están sumadas la energía de
condensación del agua y la energía de enfriamiento del aire, puede
ser tan grande que su evacuación forzada estará correlacionada
solamente en el segmento 2 con dificultades técnicas insuperables.
Precisamente por esto es conveniente aumentar el número de
segmentos 2 hasta varios segmentos. Esto permite intensivar
sensiblemente el proceso de extracción de agua.
El proceso tratado está ilustrado en la figura
2, en donde se han indicado horizontalmente los valores de
temperatura del aire y verticalmente los valores de humedad absoluta
d, expresados en gramos de vapores de agua contenidos por 1 m^{3}
de aire. La curva d_{0} corresponde a la humedad relativa
\varepsilon, que es igual al 100%. Para la consideración del
proceso se ha seleccionado como estado de partida del aire al
principio de la corriente 1 un punto A cualquiera que corresponde a
d = 18 g/m^{3}; T = 46ºC; \varepsilon = 26%. Durante el
movimiento del aire en la corriente 1 disminuye su temperatura y el
valor d se mantiene de momento inalterado hasta que se alcanza el
punto B del estado del aire, en donde \varepsilon = 100%; T =
21ºC. Asimismo, el descenso de la temperatura y la disminución del
valor d según la curva d_{0} se producen con la simultánea
condensación de líquido, en la que se condensa la cantidad de agua
m_{0} (en la figura 2 m_{0} = 10 g/m^{3}) por metro cúbico de
aire y el estado del aire pasa al punto C. Seguidamente, se
calienta el aire sin variar su humedad absoluta, y su estado pasa al
punto D.
Dado que aumenta la densidad del aire al
disminuir su temperatura, la densidad del aire en la corriente 1
alcanza su valor máximo allí donde su temperatura es mínima,
inmediatamente detrás de los segmentos 2. Por este motivo, es
conveniente generar precisamente en esta parte de la corriente 1 una
diferencia de presión para obtener dicha corriente 1 a fin de
aumentar en el mismo volumen del aire la masa de éste que circula
por la sección transversal de la corriente 1 por unidad de tiempo,
y, en último término, incrementar la cantidad de agua
condensada.
Para mejorar la calidad del agua que se desea
obtener es conveniente realizar en la parte inicial de la corriente
1 (figura 1) la depuración del aire liberándolo de partículas
suspendidas en la zona de filtración F, así como la ozonización en
la zona Q_{z} para aniquilar bacterias patógenas en el agua a
obtener como preparación primaria del aire. En la figura 3 se ha
designado la zona para la preparación primaria del aire como zona
4, en donde están reunidos los procesos de filtración y de
ozonización.
Para realizar la transmisión de calor entre los
segmentos de intercambio de calor 3_{1}-3_{2n}
en cada par se pueden aprovechar las variaciones de estado de la
materia transmisora de calor del modo que esto se realiza en los
tubos de calor. La transmisión de calor puede ejecutarse empleando
una materia con alta conductividad calorífica, por ejemplo cobre, o
por medio de un portador de calor intermedio líquido, y como tal es
conveniente emplear agua. Para excluir la eventual congelación del
agua a bajas temperaturas negativas, se puede añadir al agua
portadora de calor una materia que reduzca la temperatura de
congelación de la mezcla así obtenida. Es conveniente emplear como
tal materia deseablemente no tóxica alcohol o sal común.
El dispositivo para la extracción de agua del
aire contiene el canal 5 (figura 4) para el transporte de la
corriente de aire 1. En el canal 5 están montados el ventilador 6,
los elementos de evacuación de calor 7, la cubeta de recogida de
condensado de agua 8, el intercambiador de calor de múltiples
secciones, que contiene 2n intercambiadores de calor
9_{1}-9_{2n}, de los cuales los primeros n
intercambiadores de calor están dispuestos delante de los elementos
de evacuación de calor 7 y los intercambiadores de calor n+1 a 2n
están dispuestos detrás de los elementos de evacuación de calor 7,
considerado en la dirección de movimiento del aire en el canal 5.
Los intercambiadores de calor 9_{1}-9_{2n}, etc.
están agrupados en circuitos de calor y cada uno de ellos contiene
dos intercambiadores de calor. Los intercambiadores de calor 9_{1}
y 9_{n+1} de un circuito de calor están dispuestos en los
diferentes lados de los elementos de evacuación de calor 7 y están
unidos uno con otro según la corriente de flujo de modo que el
i-ésimo intercambiador de calor 9_{i} está unido con el
(2n+1-i)-ésimo intercambiador de calor
9_{2n+1-i}.
Es conveniente montar el ventilador 6
directamente detrás de los elementos de evacuación de calor 7 allí
donde es mínima la temperatura del aire en la corriente 1 y es
máxima la densidad del aire. El ventilador 6 puede transportar
entonces la máxima cantidad de aire por el canal 5.
Es conveniente instalar el filtro de aire 10 a
la entrada del canal 5. El filtro basto de aire para partículas en
suspensión grandes puede estar construido como un racor de
aspiración de aire 11 verticalmente montado y que se ensancha hacia
abajo. A la entrada del canal 5 puede instalarse allí también el
ozonizador de aire 12 para esterilizar el aire y el condensado de
agua liberándolos de las bacterias patógenas.
Los elementos de evacuación de calor 7 son parte
de la máquina frigorífica. Como máquina de esta clase puede
utilizarse una máquina frigorífica de compresión que contiene el
compresor 13, el licuador 14 y el evaporador construido como
elementos de evacuación de calor 7. En este caso, el compresor 13,
el licuador 14 y los elementos de evacuación de calor 7 están
unidos por el entubado 15 para el agente frigorífico y el licuador
14 está instalado a la salida del canal 5.
Como filtro de aire para la depuración compleja
del aire puede utilizarse el filtro eléctrico 20 (figura 5), que
está conectado a la fuente 21 de alta tensión. El filtro 20 puede
estar construido como un mazo de cilindros paralelos 22 con
electrodos axiales aislados 23 de alambre. El mismo filtro 20 puede
generar el ozono y entonces se agrupan el filtro 10 y el ozonizador
12 en un grupo constructivo.
Cuando se utilizan la máquina frigorífica basada
en el efecto Peltier, cada elemento de evacuación de calor 7
(figura 6) puede construirse como un bloque 24 de puntos de
soldadura en frío. En este caso, los bloques 25 de puntos de
soldadura en frío se instalan a la salida del canal 5 y los bloques
24 y 25 están conectados entonces por medio de los conductores 26
formando un circuito eléctrico cerrado. En el mismo circuito
eléctrico está conectada la fuente de corriente 27, a la cual van
conectados los bloques 24 y 25.
Para lograr un enfriamiento más intenso de los
bloques 25 de puntos de soldadura en caliente o del licuador 14,
así como para intensivar la corriente de aire 1 en el canal 5, se
puede instalar en este último al menos un ventilador adicional 28.
Para lograr un enfriamiento aún más intenso del licuador 14 o de los
bloques 25 de puntos de soldadura en caliente, se pueden practicar
en las paredes del canal 5, detrás del elemento de intercambio de
calor 9_{2n}, las aberturas de entrada de aire 29 para la
corriente de aire adicional 30.
Para asegurar la unión según el flujo de calor
q_{i} entre los intercambiadores de calor
9_{1}-9_{2n}, etc., está previsto en cada
circuito de calor una bomba 16 para bombear el portador de calor
líquido a través del entubado 17, el cual, junto con los
intercambiadores de calor 9_{1}-9_{2n}, forma un
sistema en anillo cerrado para el movimiento del portador de calor
líquido. Las bombas 16 de todos los circuitos pueden agruparse en
un grupo constructivo 18 que es accionado por el motor común 19.
La unión de calor entre los elementos de
intercambio de calor 9_{1}-9_{2n}, etc. de cada
circuito puede realizarse por medio de tubos de calor 31. Además,
la unión considerada según la corriente de calor q_{i} puede
realizarse por medio de elementos de conducción de calor metálicos
32 (figura 7).
En todas las variantes del dispositivo para la
extracción de agua del aire, la cubeta de recogida de condensando
de agua 8 se comunica con una parte del canal 5 que comprende los n
primeros intercambiadores de calor 9_{1}-9_{n} y
todos los elementos de evacuación de calor 7.
El dispositivo descrito funciona de la manera
siguiente:
Se conecta el ventilador 6 (figuras 4, 6 y 7),
que orienta la corriente de aire 1 hacia el canal 5, y se pone en
funcionamiento la máquina frigorífica. Cuando estén presentes
ventiladores adicionales 28 (figura 6), se conectan éstos también
junto con el ventilador 6. Los elementos de evacuación de calor 7
comienzan a enfriar el aire que circula por ellos. El aire enfriado
de esta manera enfría los intercambiadores de calor
9_{n+1}-9_{2n}, que están dispuestos detrás de
los elementos de evacuación de calor 7. A través de la unión de
calor entre estos intercambiadores de calor
9_{n+1}-9_{2n} y sus elementos de pareja
9_{1}-9_{n,} que pertenecen al mismo circuito y
están dispuestos en el canal 5 delante de los elementos de
evacuación de calor 7, comienza entonces el desbordamiento de
energía calorífica de los n primeros intercambiadores de calor
9_{1}-9_{n} a los intercambiadores de calor
9_{n+1}-9_{2n} que se han de enfriar. Cierto
tiempo después de la conexión de todo el sistema del dispositivo se
ajustan en el canal 5 las condiciones de temperatura mostradas en
la figura 1: la temperatura del aire disminuye primero
escalonadamente en el intervalo del primer intercambiador de calor
9_{1} al último elemento de evacuación de calor 7 y aumenta
después también escalonadamente hasta el valor que es un poco más
bajo que la temperatura T_{at} del aire de entrada.
El desbordamiento mencionado de la energía
calorífica puede realizarse por medio del portador de calor líquido,
el cual es transportado con las bombas 16 (figura 4) en cada
circuito a través del entubado 17, que contiene un par de
intercambiadores de calor, el i-ésimo intercambiador de calor y el
(2n+1-i)-ésimo intercambiador de calor 9_{i} y
9_{2n+1-i}, en donde i varía de uno a n. El mismo
desbordamiento de energía calorífica puede realizarse por medio de
los tubos de calor 31 (figura 6) o por medio de elementos de
conducción de calor metálicos 32 (figura 7).
La energía calorífica tomada del aire a enfriar,
así como la energía que se libera en la zona de condensación
\Deltalc que comprende los n primeros intercambiadores de calor
9_{1}-9_{n} y todo los elementos de evacuación
de calor 7 o los bloques 24 de puntos de soldadura en frío, son
transmitidas a la corriente de aire 1 saliente del canal 5 por
medio del licuador 14 de la máquina frigorífica de compresión o de
los bloques 25 de puntos de soldadura en caliente de la máquina
frigorífica basada en el efecto Peltier.
Para intensivar el proceso de transmisión de
energía calorífica al aire se puede organizar una corriente de
afluencia de aire adicional 30 (figura 6) que llega a la salida del
canal 5 por las aberturas de entrada de aire 29 y que se compone de
la corriente de aire suma 1* formada por la corriente 1 y la
corriente de afluencia adicional 30.
Asimismo, la corriente de aire 1 o 1* que sale
del canal 5 evacua la energía calorífica que se ha liberado en el
dispositivo durante su funcionamiento.
El filtro basto de aire para partículas en
suspensión, que está construido como un racor de aspiración de aire
11 verticalmente montado y que se ensancha hacia abajo, funciona
según el principio de la reacción contraria a la fuerza de la
gravedad G_{m} de estas partículas y a la fuerza G_{a} de la
acción de la corriente 1 sobre estas partículas. Una de estas
partículas se dirige entonces hacia abajo en caso de que G_{a}
< G_{m}, y no llega al canal 5.
Es sabido que:
(1)G_{a} =
K_{1} \ . \ S_{p} \ . \ \rho_{a} \ . \
v_{a}^{2}
en
donde:
K_{1} - factor de forma de las partículas,
S_{p} - superficie de la sección transversal
de las partículas
\rho_{a} - densidad del aire,
v_{a}^{2} - velocidad de la corriente de
aire.
(2)G_{m} = g \
. \
m_{p}
en
donde:
g - aceleración de caída,
m_{p} - masa de las partículas.
En caso de que se designe la densidad de la
materia de las partículas con \rho_{p} y se suponga que su
forma está cercana a la forma esférica, se incorporan en la
corriente 1 las partículas cuyo diámetro d_{p1} es menor que
d*:
(3)d* = 1,5
K_{1} \ . \ (\rho_{a} / \rho_{p} \ . \ g) \ . \
v_{a}^{2})
Se puede calcular el valor v_{a} conociendo el
volumen V_{0} del aire que circula por el canal 5 por segundo y
el diámetro de entrada d_{f} del racor de aspiración de aire
11:
(4)v_{a} = 4 \
V_{0} / \pi \ . \
d_{f}^{2}
Se sigue de (3) y (4) que:
(5)d\text{*} =
2,43 K_{1} \ . \ (\rho_{a} \ . \ V_{0}^{2} / \rho_{p} \ . \ g \ . \
d_{f}^{4})
Asimismo, el diámetro dp de la partícula
incorporada es inversamente proporcional a la cuarta potencia del
diámetro de la sección transversal máxima del racor de aspiración de
aire 11 de forma de cono y el propio racor de aspiración de aire 11
es entonces un filtro de alta eficacia.
El filtro eléctrico 20 indicado en la figura 5
funciona de la manera siguiente. La fuente 21 de alta tensión
genera una diferencia de potencial entre los cilindros 22 y los
delgados electrodos de alambre 23 que es suficiente para que en la
superficie de los electrodos de alambre 32 conectados al borne
negativo de la fuente 21 se origine la descarga en corona eléctrica
en la cual se forman las moléculas de ozono e iones a consecuencia
de la ionización del aire circulante. El ozono es arrastrado por el
aire y los iones negativos se adhieren a las partículas en
suspensión en la corriente 1, para lo cual éstas se mueven bajo la
acción del campo eléctrico hacia la superficie interior de los
cilindros 22. Las partículas eléctricamente cargadas llegan a la
superficie interior de los cilindros 22 bajo la acción del mismo
campo eléctrico y son capturadas allí. El ozono se disuelve
parcialmente en el agua que se condensa y esteriliza el agua y todo
el conducto de movimiento adicional de la misma.
La invención reivindicada permite aumentar la
cantidad de agua que se puede extraer del aire y depurar el agua
liberándola de elementos acompañantes indisolubles y bacterias
patógenas.
La invención reivindicada puede utilizarse en
condiciones de campo, en la agricultura y en el hogar, como fuente
alternativa de agua dulce.
Claims (29)
1. Procedimiento para la extracción de agua del
aire, en el que una corriente de aire (1) recorre con movimiento
forzado un canal (5) en segmentos consecutivos,
- -
- comenzando con segmentos (3_{1}-3_{n}) para el preenfriamiento del aire hasta como máximo la temperatura del punto de rocío (T_{dp1}) por medio de intercambiadores de calor (9_{1}-9_{n}),
- -
- segmentos siguientes (2) para el enfriamiento escalonado del aire en rangos \leq punto de rocío para la condensación de los vapores del agua por evacuación de calor por medio de elementos de evacuación de calor (7) hacia fuera del canal (5), y
- -
- tramos subsiguientes (3_{n+1}-3_{2n}) con calentamiento del aire por medio de intercambiadores de calor (9_{n+1}-9_{2n}),
estando organizado entre los intercambiadores de
calor del sistema de preenfriamiento y los intercambiadores de
calor del sistema de calentamiento del aire, cada vez por parejas y
comenzando desde fuera, un respectivo circuito de transporte de
calor (9_{1}-9_{2n},
9_{2}-9_{2n-1,} etc. hasta
9_{n}-9_{n+1}) mediante el empleo de un medio
de transporte de calor y generándose el movimiento forzado de la
corriente de aire (1) por medio de al menos una diferencia de
presión producida inmediatamente detrás de los segmentos (2).
2. Procedimiento para extracción de agua del
aire según la reivindicación 1, caracterizado porque en la
corriente de aire (1) se depura el aire delante del primer segmento
de intercambio de calor para liberarlo de las partículas
suspendidas en el mismo.
3. Procedimiento para la extracción de agua del
aire según la reivindicación 1, caracterizado porque se
ozoniza el aire en la corriente de aire (1) delante del primer
segmento de intercambio de calor.
4. Procedimiento para la extracción de agua del
aire según la reivindicación 1, caracterizado porque se
realizan la ozonización simultánea del aire y la depuración de las
partículas suspendidas en la corriente de aire delante del primer
segmento de intercambio de calor.
5. Procedimiento para extracción de agua del
aire según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado
porque se realiza la transmisión de calor en cada pareja de
segmentos de intercambio de calor (3_{1}-3_{2n})
empleando variaciones de estado de la materia transmisora de
calor.
6. Procedimiento para la extracción de agua del
aire según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado
porque se realiza la transmisión de calor en cada pareja de
segmentos de intercambio de calor (3_{1}-3_{2n})
por medio de una materia con alta conductividad calorífica.
7. Procedimiento para la extracción de agua del
aire según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado
porque se realiza el intercambio de calor en cada pareja de
segmentos de intercambio de calor (3_{1}-3_{2n})
por medio de un portador de calor intermedio líquido.
8. Procedimiento para la extracción de agua del
aire según la reivindicación 7, caracterizado porque como
portador de calor intermedio líquido se emplea agua.
9. Procedimiento para la extracción de agua del
aire según la reivindicación 8, caracterizado porque se añade
al agua una materia reductora de la temperatura de congelación del
agua.
10. Procedimiento para la extracción de agua del
aire según la reivindicación 9, caracterizado porque se
emplea alcohol en calidad de materia reductora de la temperatura de
congelación del agua.
11. Procedimiento para la extracción de agua del
aire según la reivindicación 9, caracterizado porque se
emplea sal común en calidad de materia reductora de la temperatura
de congelación del agua.
12. Dispositivo para la extracción de agua del
aire, en el que una corriente de aire (1) circula en un canal (5) -
con movimiento forzado por al menos un ventilador (6) dispuesto en
dicho canal (5) - a lo largo de intercambiadores de calor y
elementos de evacuación de calor (7) dispuestos en segmentos, de tal
manera que
- -
- en unos primeros segmentos están dispuestos intercambiadores de calor (9_{1}-9_{n}) para preenfriar el aire hasta como máximo la temperatura del punto de rocío (T_{dp1}),
- -
- en unos segundos segmentos siguientes se encuentran elementos de evacuación de calor (7) que sufren una refrigeración forzada desde fuera del canal (5) y que enfrían el aire hasta un nivel de temperatura \leq punto de rocío, acumulándose el agua condensada en una cubeta de acumulación de condensado (8) y evacuándose esta agua hacia fuera, y
- -
- en unos terceros segmentos se encuentran nuevamente intercambiadores de calor (9_{n+1}-9_{2n}) que producen un calentamiento del aire, estando unidos los intercambiadores de calor de los primeros y los terceros segmentos uno con otro, por parejas y comenzando desde fuera, por medio de entubados (17) para formar sendos circuitos de transporte de calor (9_{1}-9_{2n}, 9_{2}-9_{2n-1}, etc. hasta 9_{n}-9_{n+1}), y estando dispuesto un ventilador (6), considerado en la dirección de flujo, después del último elemento de evacuación de calor (7) de los segundos segmentos y delante del primer intercambiador de calor (9_{n+1}) de los terceros segmentos.
13. Dispositivo para la extracción de agua del
aire según la reivindicación 12, caracterizado porque
contiene, además, el filtro de aire (10), el cual está montado a la
entrada del canal (5) para el transporte de aire.
14. Dispositivo para la extracción de agua del
aire según la reivindicación 13, caracterizado porque el
filtro de aire está construido como un racor de aspiración de aire
(11) verticalmente dispuesto y que se ensancha hacia abajo.
15. Dispositivo para la extracción de agua del
aire según la reivindicación 13, caracterizado porque el
filtro de aire es un filtro eléctrico (20) para partículas en
suspensión.
16. Dispositivo para la extracción de agua del
aire según una de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado
porque contiene un ozonizador de aire (12) que está montado a la
entrada del canal (5) para el transporte de aire.
17. Dispositivo para la extracción de agua del
aire según la reivindicación 15, caracterizado porque el
filtro eléctrico (20) está adaptado para la obtención de ozono.
18. Dispositivo para la extracción de agua del
aire según la reivindicación 14, caracterizado porque detrás
del filtro que está construido como un racor de aspiración de aire
(11) verticalmente montado y que se ensancha hacia abajo está
montado el filtro eléctrico (20) adaptado para la obtención de
ozono.
19. Dispositivo para la extracción de agua del
aire según una de las reivindicaciones 12 a 18, caracterizado
porque como elemento de evacuación de calor (7) se utiliza un
evaporador de la máquina frigorífica de compresión.
20. Dispositivo para la extracción de agua del
aire según la reivindicación 19, caracterizado porque a la
salida del canal (5) para el transporte de aire está montado el
licuador (14) de la máquina frigorífica de compresión.
21. Dispositivo para la extracción de agua del
aire según una de las reivindicaciones 12 a 18, caracterizado
porque como elemento de evacuación de calor (7) se emplea el bloque
(24) de puntos de soldadura en frío de la máquina frigorífica
basada en el efecto Peltier.
22. Dispositivo para la extracción de agua del
aire según la reivindicación 21, caracterizado porque a la
salida del canal (5) para el transporte de aire está montado el
bloque (25) de puntos de soldadura en caliente de la máquina
frigorífica basada en el efecto Peltier.
23. Dispositivo para la extracción de agua del
aire según una de las reivindicaciones 12 a 22, caracterizado
porque en el canal (5) para el transporte de aire está montado
después del 2n-ésimo intercambiador de calor (9_{2n}) al menos un
ventilador adicional (28).
24. Dispositivo para la extracción de agua del
aire según una de las reivindicaciones 21 a 23, caracterizado
porque las aberturas de entrada de aire (29) de las paredes del
canal (5) para el transporte de aire están practicadas detrás del
2n-ésimo intercambiador de calor (9_{2n}).
25. Dispositivo para la extracción de agua del
aire según una de las reivindicaciones 12 a 24, caracterizado
porque en el entubado (17) de cada circuito de calor
(9_{1}-9_{2n},
9_{2}-9_{2n-1}, etc. hasta
9_{n}-9_{n+1}) está dispuesta una bomba
(16).
26. Dispositivo para la extracción de agua del
aire según la reivindicación 25, caracterizado porque las
bombas (16) de todos los circuitos de calor están combinadas
formando un grupo constructivo.
27. Dispositivo para la extracción de agua del
aire según una de las reivindicaciones 12 a 24, caracterizado
porque los intercambiadores de calor
(9_{1}-9_{2n},
9_{2}-9_{2n-1,} etc. hasta
9_{n}-9_{n+1}) de los segmentos 1 y 3 están
unidos uno con otro a través de entubados en forma de tubos de calor
(3).
28. Dispositivo para la extracción de agua del
aire según una de las reivindicaciones 12 a 24, caracterizado
porque los entubados que forman el circuito de calor entre los
intercambiadores de calor (9_{1}-9_{2n},
9_{2}-9_{2n-1}, etc. hasta
9_{n}-9_{n-1}) de los segmentos
1 y 3 están construidos como elementos de conducción de calor
metálicos (32).
29. Dispositivo para la extracción de agua del
aire según una de las reivindicaciones 12 a 28, caracterizado
porque la cubeta de recogida de condensado de agua (8) se comunica
con una parte del canal (5) para el transporte de aire que
comprende los n primeros intercambiadores de calor (9_{n}) y todos
los elementos de evacuación de calor (7).
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